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原文传递一种基于激光操控微球镜的光学超分辨成像装置及其方法

专利名称：	一种基于激光操控微球镜的光学超分辨成像装置及其方法
摘要：	本发明公开了一种基于激光操控微球镜的光学超分辨成像装置及其方法。本发明采用近红外激光，通过高数值孔径的显微物镜，在样品附近形成一个光镊，将其作为一个无形的手，来无接触、无干扰地操控微球镜，实现微球镜在样品表面任意感兴趣区的精确定位、移动和精确聚焦功能，从而很好地解决了现有技术存在缺陷；可实现微球镜对样品整个感兴趣区的光学超分辨成像，将该成像方法从演示性实验变为新型实用技术和仪器装置，光学超分辨成像空间分辨率已达到λ/8，横向放大率5.4倍，突破了传统的光学衍射极限(λ/2)，实现了“无标记”的光学远场、宽场超分辨显微成像。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京大学
发明人：	叶安培
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-16T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910405754.8
公开号：	CN110132920A
代理机构：	北京万象新悦知识产权代理有限公司
代理人：	王岩
分类号：	G01N21/64(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100871 北京市海淀区颐和园路5号
主权项：	1.一种基于激光操控微球镜的光学超分辨成像装置，照明光采用透射式，其特征在于，所述光学超分辨成像装置包括：电子控制单元、激光器、激光操控单元、激光通道、光学显微镜、微球镜、二向色分光镜、三维电动样品台、手动二维样品移动台、成像装置、计算机和照明灯；其中，透明的样品放置在三维电动样品台上，三维电动样品台设置在手动二维样品移动台上；样品浸没在液体中，微球镜注入至液体中；电子控制单元分别连接至激光器、激光操控单元和三维电动样品台，电子控制单元与计算机互相连接；激光器连接至激光操控单元；激光操控单元通过激光通道连接至光学显微镜内部；光学显微镜内且位于显微物镜后瞳上方的光轴上设置二向色分光镜；光学显微镜的显微物镜正对样品；在光学显微镜上设置成像装置；成像装置连接至计算机；计算机通过电子控制单元驱动激光器，激光器发出近红外波段的激光；激光通过激光操控单元扩束并准直后，通过激光通道传输至光学显微镜内；经过二向色分光镜反射后，耦合进显微物镜，由显微物镜聚焦形成光镊，调节显微物镜的焦点改变光镊的纵向位置，并结合手动二维样品移动台在水平面内的平移，将液体中的微球镜移动至焦点处，光镊抓取到微球镜；通过手动二维样品移动台将微球镜移动到样品的表面，通过调节显微物镜的焦点调节微球镜与样品表面之间的距离，光镊将微球镜悬浮固定在液态中；照明灯发出白光，从透明的样品的下面入射至样品；微球镜将样品携有精细结构信息的渐逝波投射到远处，由被置于远场的显微物镜接收；通过激光操控单元调节激光光束的发散角，改变光镊沿光轴的位移，从而改变微球镜距离样品表面的距离，使得样品在成像装置形成清晰的超分辨图像，一个位置的超分辨图像传输至计算机；计算机通过电子控制单元控制三维电动样品台按指定的路径和范围水平面移动，进行步进移动分区成像，移动的步距小于微球镜的直径，使得微球镜位于样品表面的下一个位置，同时根据采集的图像清晰度，通过激光操控单元自动调节激光光束的发散角，实时调节微球镜相对样品表面的纵向距离，得到当前位置的清晰超分辨图像，并传输至计算机，直至完成整个样品表面感兴趣区成像；计算机对每一位置的超分辨图像选取中心部分图像，将所有位置的中心部分图像无缝拼接，得到一幅大范围的完整超分辨图像，从而实现了基于微球镜成像的透射式光学超分辨成像装置。 2.一种基于激光操控微球镜的光学超分辨成像装置，照明光采用反射式，其特征在于，所述光学超分辨成像装置包括：电子控制单元、激光器、激光操控单元、耦合镜、激光通道、光学显微镜、微球镜、二向色分光镜、三维电动样品台、手动二维样品移动台、成像装置、计算机和照明灯；其中，样品放置在三维电动样品台上，三维电动样品台设置在手动二维样品移动台上；样品浸没在液体中，微球镜注入至液体中；电子控制单元分别连接至激光器、激光操控单元和三维电动样品台，电子控制单元与计算机互相连接；激光器连接至激光操控单元；照明灯与激光操控单元并排放置，位于耦合镜前，耦合镜设置在激光通道前，激光通道连接至光学显微镜内部；光学显微镜内且位于显微物镜后瞳上方的光轴上设置二向色分光镜；光学显微镜的显微物镜正对样品；在光学显微镜上设置成像装置；成像装置连接至计算机；计算机通过电子控制单元驱动激光器，激光器发出近红外波段的激光；激光通过激光操控单元扩束并准直后，通过激光通道传输至光学显微镜内；经过二向色分光镜反射后，耦合进显微物镜，由显微物镜聚焦形成光镊，调节显微物镜的焦点改变光镊的纵向位置，并结合手动二维样品移动台在水平面内的平移，将液体中的微球镜移动至焦点处，光镊抓取到微球镜；通过手动二维样品移动台将微球镜移动到样品的表面，通过调节显微物镜的焦点调节微球镜与样品表面之间的距离，光镊将微球镜悬浮固定在空中；照明灯发出白光，经耦合镜通过激光通道进入至光学显微镜内，由二向色分光镜反射至样品；微球镜将样品携有精细结构信息的渐逝波投射到远处，由被置于远场的显微物镜接收；通过激光操控单元调节激光光束的发散角，改变光镊沿光轴的位移，从而改变微球镜距离样品表面的距离，使得样品在成像装置形成清晰的超分辨图像，一个位置的超分辨图像传输至计算机；计算机通过电子控制单元控制三维电动样品台按指定的路径和范围水平面移动，进行步进移动分区成像，移动的步距小于微球镜的直径，使得微球镜位于样品表面的下一个位置，同时根据采集的图像清晰度，通过激光操控单元自动调节激光光束的发散角，实时调节微球镜相对样品表面的纵向距离，得到当前位置的清晰超分辨图像，并传输至计算机，直至完成整个样品表面感兴趣区成像；计算机对每一位置的超分辨图像选取中心部分图像，将所有位置的中心部分图像无缝拼接，得到一幅大范围的完整超分辨图像，从而实现了基于微球镜成像的反射式光学超分辨成像装置。 3.如权利要求1或2所述的光学超分辨成像装置，其特征在于，所述激光操控单元包括光隔离器、扩束镜组、一维电动位移台、光强调节元件、镜架和开关；其中，扩束镜组放置在一维电动位移台上，光强调节元件放置在镜架中；光隔离器、扩束镜组和光强调节元件沿光轴依次排列；开关位于激光操控单元的光路中的任意位置；激光先通过光隔离器保证激光不返回保护激光器；激光经过扩束镜组扩束，经过光强调节元件调节光强，经过开关出射。 4.如权利要求3所述的光学超分辨成像装置，其特征在于，所述光强调节元件包括半波片和偏振分光棱镜PBS，半波片放置在镜架中，激光经过半波片改变偏振方向，然后经过偏振分光棱镜PBS；通过旋转镜架改变半波片的角度，实现激光强度调节。 5.如权利要求1或2所述的光学超分辨成像装置，其特征在于，所述电子控制单元包括：多功能控制卡，一维电动位移台驱动器、旋转镜架驱动器、激光器驱动器、开关驱动器、三维电动样品台驱动电路和直流稳压电源；其中，交流电源连接至直流稳压电源；直流稳压电源分别连接至一维电动位移台驱动器、旋转镜架驱动器、激光器驱动器第和开关驱动器；计算机连接至多功能控制卡，多功能控制卡分别连接至一维电动位移台驱动器、旋转镜架驱动器、激光器驱动器、开关驱动器和三维电动样品台驱动电路；一维电动位移台驱动器连接至一维电动位移台，旋转镜架驱动器连接至镜架，激光器驱动器连接至激光器，三维电动样品台驱动电路连接至三维电动样品台；开关驱动器连接至开关。 6.如权利要求1或2所述的光学超分辨成像装置，其特征在于，所述微球镜为透明球体，材料为SiO2、聚苯乙烯或TiO2，折射率n为1.3～2.1，微球镜的粒径D为5～30微米，表面钝化。 7.如权利要求1或2所述的光学超分辨成像装置，其特征在于，所述微球镜与样品表面的距离在100nm以内。 8.如权利要求1或2所述的光学超分辨成像装置，其特征在于，所述三维电动样品台移动的步距d与微球镜的粒径D满足： 9.一种如权利要求1所述的基于激光操控微球镜的光学超分辨成像装置的成像方法，采用透射式，其特征在于，所述成像方法包括以下步骤： 1)将样品浸没在液体中；提供微球镜，将微球镜注入至液体中； 2)计算机通过电子控制单元驱动激光器，激光器发出近红外波段的激光； 3)激光通过激光操控单元扩束并准直后，通过激光通道传输至光学显微镜内； 4)经过二向色分光镜反射后，耦合进显微物镜，由显微物镜聚焦形成光镊，调节显微物镜的焦点改变光镊的纵向位置，并结合手动二维样品移动台在水平面内的平移，将液体中的微球镜移动至焦点处，光镊抓取到微球镜； 5)通过手动二维样品移动台将微球镜移动到样品的表面，通过调节显微物镜的焦点调节微球镜与样品表面之间的距离，光镊将微球镜悬浮固定在液态中； 6)照明灯发出白光，从透明的样品的下面入射至样品； 7)微球镜将样品携有精细结构信息的渐逝波投射到远处，由被置于远场的显微物镜接收； 8)通过激光操控单元调节激光光束的发散角，改变光镊沿光轴的位移，从而改变微球镜距离样品表面的距离，使得样品在成像装置形成清晰的超分辨图像，一个位置的超分辨图像传输至计算机； 9)计算机通过电子控制单元控制三维电动样品台按指定的路径和范围水平面移动，进行步进移动分区成像，移动的步距小于微球镜的直径，使得微球镜位于样品表面的下一个位置，同时根据采集的图像清晰度，通过激光操控单元自动调节激光光束的发散角，实时调节微球镜相对样品表面的纵向距离，得到当前位置的清晰超分辨图像，并传输至计算机，直至完成整个样品表面感兴趣区成像； 10)计算机对每一位置的超分辨图像选取中心部分图像，将所有位置的中心部分图像无缝拼接，得到一幅大范围的完整超分辨图像，从而实现了基于微球镜成像的透射式光学超分辨成像装置。 10.一种如权利要求2所述的基于激光操控微球镜的光学超分辨成像装置的成像方法，采用反射式，其特征在于，所述成像方法包括以下步骤： 1)将样品浸没在液体中；提供微球镜，将微球镜注入至液体中； 2)计算机通过电子控制单元驱动激光器，激光器发出近红外波段的激光； 3)激光通过激光操控单元扩束并准直后，通过激光通道传输至光学显微镜内；经过二向色分光镜反射后，耦合进显微物镜，由显微物镜聚焦形成光镊； 4)调节显微物镜的焦点改变光镊的纵向位置，并结合手动二维样品移动台在水平面内的平移，将液体中的微球镜移动至焦点处，光镊抓取到微球镜； 5)通过手动二维样品移动台将微球镜移动到样品的表面，通过调节显微物镜的焦点调节微球镜与样品表面之间的距离，光镊将微球镜悬浮固定在液体中； 6)照明灯发出白光，经耦合镜通过激光通道进入至光学显微镜内，由二向色分光镜反射至样品； 7)微球镜将样品携有精细结构信息的渐逝波投射到远处，由被置于远场的显微物镜接收； 8)通过激光操控单元调节激光光束的发散角，改变光镊沿光轴的位移，从而改变微球镜距离样品表面的距离，使得样品在成像装置形成清晰的超分辨图像，一个位置的超分辨图像传输至计算机； 9)计算机通过电子控制单元控制三维电动样品台按指定的路径和范围水平面移动，进行步进移动分区成像，移动的步距小于微球镜的直径，使得微球镜位于样品表面的下一个位置，同时根据采集的图像清晰度，通过激光操控单元自动调节激光光束的发散角，实时调节微球镜相对样品表面的纵向距离，得到当前位置的清晰超分辨图像，并传输至计算机，直至完成整个样品表面感兴趣区成像； 10)计算机对每一位置的超分辨图像选取中心部分图像，将所有位置的中心部分图像无缝拼接，得到一幅大范围的完整超分辨图像，从而实现了基于微球镜成像的反射式光学超分辨成像装置。
所属类别：	发明专利